La meccanica del bordo pulito: una guida alle castellation affidabili

La differenza tra un modulo funzionale e un prototipo scartato spesso si riduce al bordo microscopico della scheda. Quando arriva una spedizione di schede figlie, il primo passo di ispezione non dovrebbe essere un test di continuite0; dovrebbe essere un controllo visivo con una lente 30x. Se la placcatura del bordo sembra masticata da un animale smorto, la scheda e8 gie0 compromessa. Una "burr" in questo contesto non e8 solamente estetica. c9 un rischio strutturale: una scheggia di rame, strappata dal substrato, in attesa di collegare due piazzole o sollevarsi completamente durante il reflow.

Questo modo di fallimento raramente deriva da "sfortuna" o da un "lotto brutto" di laminato. Quasi sempre, e8 un fallimento di geometria e istruzioni. I progettisti spesso suppongono che posizionare una via sul contorno della scheda nel loro strumento CAD—sia Altium, KiCad o Eagle—sia sufficiente per generare una castellatura. Non lo e8. Mentre lo schermo CAD mostra un semicerchio perfetto, la realte0 del piano di produzione coinvolge un utensile di fresatura in acciaio ad alta velocite0 che esercita una torsione significativa su una lamina sottile di rame appena incollata all'intreccio di fibra di vetro. Se tale rame non e8 ancorato meccanicamente, o se l'utensile entra con un angolo sbagliato, la placcatura si strappere0.

Questo strappo provoca ponti di saldatura durante l'assemblaggio. Se il bordo e8 irregolare, la pasta saldante ha una capillarite0 in grado di viaggiare, collegando piazzole adiacenti destinate a rimanere isolate. Risolvere il taglio meccanico risolve il corto circuito elettrico.

La Fisica dello Strappo

Per progettare una castellatura robusta, devi visualizzare il percorso dello strumento. Un trapano standard per PCB—spesso di 2.0mm o 2.4mm di diametro—ruota a circa 40.000 RPM. Mentre si muove lungo il bordo del pannello per staccare la scheda, sfreccia attraverso una composizione di epox, fibra di vetro e rame. La direzione di rotazione conta enormemente.

Se il trapano ruota in senso orario e il percorso dello strumento si sposta in modo tale che il bordo di taglio colpisce il laminato prima il rame, il materiale di supporto sostiene la lamina. Il taglierino taglia attraverso il rame contro la parete solida di FR-4. Tuttavia, se il percorso viene invertito, o se l'utensile entra nella castellatura dall'"interno" del foro spingendo verso l'esterno, non c'e8 supporto dietro la placcatura. L'utensile prende il bordo e tira. Poiche9 la forza adesiva del foglio di rame su FR-4 e8 finita (tipicamente circa 1.4 N/mm per materiali standard), la forza rotazionale supera facilmente la resistenza del legame. Il risultato e8 una piazzola sollevata che sbandiera nel vento, o una sbavatura compressa nel lato della scheda.

Questo trattamento specializzato e8 il motivo per cui le aziende di produzione chiedono un 'supplemento per castellatura'. Non stanno cercando di guadagnare denaro per il gusto di farlo; spesso stanno eseguendo un'operazione CNC completamente separata. Invece di un profilo continuo standard, devono impiegare una sequenza "tuffo e taglio" o una strategia specifica di ingresso/uscita per ogni singolo foro per garantire che l'utensile spinga sempre il rame in il bordo, non fuori di esso. Se un preventivo non include questo supplemento, sii sospettoso. Di solito significa che intendono eseguire un passaggio di profilo standard, e il risultato sare0 un pasticcio irregolare.

L'Imperativo Ancoraggio

Fare affidamento esclusivamente sulla colla chimica della lamina di rame è un azzardo che gli ingegneri professionisti non dovrebbero prendere. Lo strato adesivo tra il rame e il dielettrico è il punto più debole dell'accoppiamento. Per prevenire il sollevamento del pad, il progetto deve introdurre un blocco meccanico—un'ancora.

Il metodo più efficace utilizza la struttura verticale del PCB stesso. Un pad di castellazione non dovrebbe essere solo rame superiore e inferiore; deve essere fissato insieme con vie dedicate. Posizionando una o due piccole vie (0,3mm è una dimensione standard di trapano meccanico) vicino al bordo interno del pad—effettivamente "dietro" la linea di taglio—gli strati superiore e inferiore sono rivettati insieme attraverso il core. Anche se la fresa esercita abbastanza forza per delaminare il bordo del pad, lo strappo non può propagarsi oltre queste vie di ancoraggio. Il rame è meccanicamente bloccato alla struttura interna.

Queste vie di ancoraggio svolgono una doppia funzione. Durante il reflow secondario—quando il modulo viene saldato sulla scheda principale—lo stress termico sui pad di bordo è immenso. Senza ancore, l'incompatibilità di espansione termica può causare il galleggiamento o lo sfaldamento dei pad, specialmente se si tenta di riparare a mano con saldatura. La via di ancoraggio agisce come dissipatore di calore e rivetto. Mentre alcuni progetti ad altissima densità potrebbero avere difficoltà a inserire queste ancore, ometterle può causare fallimenti sul campo. Se il pad si solleva, non c'è riparazione; il modulo è spazzatura.

Finitura superficiale come variabile di planarite0

La geometria del taglio è la metà della battaglia; la topografia del pad è l’altra metà. Quando si posiziona un modulo su una scheda di supporto, deve sedersi perfettamente piatta. Qualsiasi deviazione trasforma il modulo in una altalena, portando a giunzioni aperte su un lato e pasta schiacciata sull’altro.

Il livellamento a stagno ad aria calda (HASL) è fondamentalmente inadatto per i bordi a castello. Il processo HASL consiste nell’immersione del pannello in stagno fuso e nella soffiatura con lame d’aria calda. Su un foro a metà taglio, questo tende a lasciare una massa bombata e irregolare di stagno sul bordo. Quando successivamente la fresatrice passa per tagliare la scheda, quella massa di stagno/piombo morbido (o lega senza piombo) si smeara e si lacera in modo diverso rispetto al rame più duro. Ancora più importante, crea una superficie non planare.

La finitura Nichel senza elettrolisi immersione Oro (ENIG) è lo standard obbligatorio per queste applicazioni. Lo strato barriera di nichel offre una superficie più dura che taglia in modo più pulito rispetto allo stagno morbido, e l’oro a immersione garantisce una superficie perfettamente piatta e coplanare per il processo SMT. Sebbene la HASL sia più economica, il tasso di scarti dovuto a una scarsa planaritá e allo sfarinamento della fresatrice annullano subito i risparmi.

Comunicare l'intento: il firewall della nota Fab

L’errore più comune nella progettazione delle castelle è il silenzio. Se i file Gerber contengono il contorno della scheda che attraversa una fila di fori placcati, ma le note di produzione non dicono nulla, l’ingegnere CAM in fabbrica deve fare ipotesi. In un negozio di alto volume Tier 1, script automatizzati potrebbero segnalarlo. In un negozio di prototipazione a turnaround rapido, l’operatore potrebbe presumere che sia un errore o, peggio, semplicemente eseguire la routine di profilo standard.

Un’annotazione specifica sul livello di fabbricazione è l’unico firewall contro questo. Deve essere esplicita. Un’annotazione standard potrebbe leggere: “Placcatura dei bordi (castelle) presente su J1 e J2. Il fornitore deve utilizzare percorsi di entrata/uscita appropriati per il router per prevenire burrature e sollevamento del rame. I criteri di accettabilità IPC-6012 Classe 3 si applicano alle condizioni di placcatura dei bordi.” Ciò costringe l’ingegnere CAM a riconoscere la caratteristica, spostando la responsabilità dall’omissione del progettista al processo del produttore.

La castella del 'trichettatore'

C'è un mito persistente, spesso diffuso tra gli hobbisti, secondo cui si può creare una castella semplicemente posizionando una fila di vie sul contorno della scheda e trattenendo tale informazione dalla fabbrica per evitare il sovrapprezzo. Questo è un approccio da 'trichettatore' ed è meccanicamente insostenibile.

Quando un percorso di fresatura standard attraversa una via standard senza le considerazioni speciali di entrata/uscita, il muro di placcatura crollerà o si strapperà quasi certamente. L'integrità strutturale di un foro placcato si basa sul fatto di essere un cilindro continuo. Una volta che si taglia quel cilindro a metà senza precauzioni, il mezzo cilindro rimanente perde la sua resistenza a cerchio. Senza passaggi di processo specifici per sostenere quel muro residuo, la castella del 'trichettatore' risulta in un bordo fragile e irregolare che potrebbe non anche prendere solder. È un falso risparmio.

L'hardware affidabile non spera che la macchina ignori la fisica; sopravvive per progettazione. Fissa i piedini, specifica la finitura e scrivi la nota. La punta del router non si preoccupa della tua scadenza, ma rispetterà la tua geometria.